水平弧線桁架結構探析

陳世見 （福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 前言

近幾年來，隨著經濟的發展，在工業物料進行運輸的過程中，人們改進了所選擇的方式，管帶式輸送方式相較于傳統的方式擁有著更為全面的優勢，其具有輸送結構適應性強、路徑跨越大、大跨越輸送能力等特點。管帶式輸送帶的主體受力支架采用桁架結構，由于路徑跨越大地形復雜，再加上所面臨的外部環境比較嚴峻，因此水平弧線桁架得到了非常多的認可，也有非常多的企業投入實際應用中，水平弧線桁架結構開始廣泛應用。弧線桁架結構與理想直線桁架結構受力特點存在一定的差異，現采用MIDAS分析軟件進行結構對比分析。每一個弧形桁架結構，在應用的過程中都和實際所預料的產生了一些細微偏差，因此就需要在實踐中收集具體數據進行分析，進行精密的計算以求得到夠滿意的結果。

1 結構模型

某管帶項目26m跨桁架結構，弧線斷：弧線桁架中心曲率半徑為400m，桁架寬0.75m，高2.3m，結構模型；直線斷：桁架寬0.75m，高2.3m，結構模型，兩種桁架結構選用的材料及截面均一致（如圖1）。

圖1 結構模型

桁架結構計算荷載考慮自重、設備重、平臺重、物料荷載、檢修載、風載，荷載施加原則按節點荷載施加。

約束條件均為桁架下部一端固定支座，另一端單向滑動支座。

2 計算分析

2.1 支座反力

經計算分析得，在恒載及活載得豎向荷載作用下，直線桁架的四點支座反力均勻分布（如圖2）；而弧線桁架的四點支座垂直支座反力不再均勻分布，呈現內環反力較小外環反力較大的特點，弧線桁架固定支座產生較大的水平縱向支座反力，且兩點支座水平力大小相等方向相反，水平橫向支座反力在滑動支座處較大（如圖3）。由于弧線桁架支座與理想直線桁架偏差較大，故支座節點設計應依據實際支座荷載情況進行計算設計，實際進行操作會發現兩種不同的桁架和預料中的數據會有一些較大的差別，因此就需要根據實際情況來進行不同的計算，并且計算的過程不能夠簡化，只有在精密的計算之后才能夠盡量減少誤差，達到一個比較令人滿意的結果。

圖2 直線桁架恒活組合支座反力

圖3 弧線桁架支座反力

2.2 上弦桿

上弦桿應力最不利組合工況結果如圖4，為弧線桁架應力比，結構計算表明，桁架結構更改為弧線形后上弦桿應力比明顯加大。

圖4 上弦桿應力比

內力情況：直線桁架上弦桿豎向荷載工況下受力較為理想，最大軸力為；而弧線桁架在豎向荷載工況下內環上弦桿與外環上弦桿受力相差2.2倍，內環上弦桿最大軸力為332kN，外環上弦桿最大軸力為151kN，弧線桁架上弦桿與直線桁架上弦桿最大軸力相差1.26倍；在水平風荷載工況下，弧線桁架與直線桁架受力基本一致。考慮桁架各個節點的平衡，每一個節點所承受匯交力作用，再根據這些分析，逐次挨個兒的建立每一個節點之間投影的平衡的方程。根據這些計算，求出所有的位置桿力，這就是根據節點法來計算桁架內力。在對上弦桿進行這種方式計算內力時，經過仔細計算再進行一定的改進，除此之外在實際應用中還一定要特別注意一些特定系數。故弧線桁架上弦桿在豎向荷載作用下，當按直線簡化計算時應考慮一定的放大系數。

2.3 下弦桿

下弦桿應力最不利組合工況結果中，弧線桁架應力比由計算可得，計算表明，桁架結構更改為弧線形后下弦桿應力變化差異較小。下弦桿，在很多建筑中都有應用。下弦桿主要是因為位置不同，所以相比于上弦桿稱為下弦桿，下弦桿相對于弧線形在本文中應用相對較差。

內力情況：直線桁架下弦桿在豎向荷載工況下最大軸力為249kN；而弧線桁架下弦桿在豎向荷載工況下內外環軸力相差1.5倍，內環下弦桿大軸力為286kN，外環下弦桿大軸力為192kN，弧線桁架下弦桿與直線桁架下弦桿最大軸力相差1.15倍；在水平風荷載工況下，弧線桁架與直線桁架受力基本一致。在下弦桿內力計算中，經過仔細計算發現他們之間在某些部分差異比較明顯，但是在某一些部分差異比較小，因此可以根據實際情況進行實際改進，因地制宜，根據所面臨的不同的建筑來進行實際的改進。在豎向荷載工況下弧線桁架下弦桿所受內力與直線桁架上弦桿所受內力差異較小。

2.4 端部框架

端部框架應力最不利組合工況，弧線桁架應力比計算表明，桁架結構更改為弧線形后端部框架應力變化增加明顯。而端部支撐，這種結構相比于傳統的結構，如果改為弧線形，那么相對承載力會更強一些。

內力情況：弧線桁架端部框架在豎向荷載工況下，外環最大軸力、彎矩、，內環最大軸力、彎矩、，弧形桁架的豎向偏心荷載對端部框架豎桿軸力與平面外彎矩影響較大。

2.5 腹桿

弧線桁架腹桿與直線桁架腹桿在豎向與水平荷載作用受力基本一致，腹桿對結構的弧形形狀不敏感。而腹桿相比于弦桿而言，所承載的能力大部分相一致。根據云圖可以感受出腹桿對結構的形狀并沒有很大的差別，但從云圖中仍然能夠看出細微的差距，內部的腹桿相對于弦桿更為復雜。

2.6 水平斜桿

由于弧線桁架在豎向荷載作用下內外環受力差異較大，為協調結構變形水平斜桿產生較大應力突變。而水平斜桿，因為內外環所受力的不同，從云圖中可以感受到水平斜桿的應力比，相比較而言，水平斜桿的云圖更為簡潔明了，除此之外，內部的結構也更為簡單。

2.7 曲率半徑為200m

曲率半徑更改為200m后，下弦、腹桿應力比基本保持不變，而上弦、端部框架及水平斜桿應力比明顯增加，尤其水平斜桿突變顯著，故設計時應控制弧線角度。

當曲率半徑進行更改，不同的弦桿所發生的改變是各不相同的，在其中有一些弦桿變化得最為明顯，這樣才能夠減少誤差，來達到預期云圖中所展現的效果。

3 結論

①弧線桁架設計應控制在一定的角度，對于轉彎要求較大的應分段設計。

②弧線桁架支座及反力應更加實際計算分析。

③桁架下弦桿、腹桿對于弧線角度不敏感，設計時可簡化計算。

④對于上弦、端部框架及水平斜桿，應三維計算，或簡化計算并考慮一定的放大系數。